內(nèi)燃機 第三章

第三章內(nèi)燃機燃料與燃燒*/2第三章內(nèi)燃機燃料與燃燒

內(nèi)燃機的燃料及其提煉方法燃料的使用性能燃料的熱化學(xué)燃燒的基本理論常規(guī)燃料——汽油和柴油替代燃料——除汽油、柴油以外的烴類/醇類/醚類/酯類/氫氣等燃料1)按物態(tài)分類：液體：甲醇、乙醇、二甲醚(DME)、生物柴油、GTL/CTL/BTL氣體：LPG、CNG、氫氣、沼氣、煤氣2)按成份(是否含氧)分類：烴燃料(除汽油、柴油外)和含氧燃料*/3趨勢：汽車燃料多元化(Diversification)一、燃料及其分類*/4二、燃料的化學(xué)結(jié)構(gòu)AlkanesorParaffins-CnH2n+2AlkenesorOlefins-CnH2n烷烴甲烷乙烷異辛烷C-C單健飽和烴，氧化穩(wěn)定性好；異構(gòu)體結(jié)構(gòu)緊湊,不易斷鏈,不易自燃烯烴乙烯丙烯丁二烯C＝C雙健*/5二、燃料的化學(xué)結(jié)構(gòu)AlkynesorAcetylenes-CnH2n-2炔烴

乙炔C≡C三健多鍵非飽和烴結(jié)合牢固，不易斷鏈，不易自燃但不飽和烴穩(wěn)定性差，長期存放容易氧化變質(zhì)芳香烴

benzene苯toluene甲苯naphthalene萘環(huán)狀結(jié)構(gòu)緊湊,不易斷鏈,不易自燃Aromatics-CnH2n-6*/6二、燃料的化學(xué)結(jié)構(gòu)環(huán)烷烴NapthenesC-C單健CnH2n環(huán)烷烴屬飽和烴，性質(zhì)比較穩(wěn)定，不易斷鏈，不易氧化變質(zhì)Alcohols-containoneormoreOHgroups醇

乙醇燃料含氧促進燃燒甲醇三、化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分對理化特性的影響1)烴燃料結(jié)構(gòu)對理化特性的影響

鏈與環(huán)—環(huán)化學(xué)穩(wěn)定性好，不易自燃

直鏈與支鏈(或正烷與異烷)—支鏈(異烷)的化學(xué)穩(wěn)定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和異辛烷C8H18的辛烷值分別為0和100)

單鍵和多鍵—多鍵非飽和烴不易斷鏈，不易自燃，但穩(wěn)定性差，貯存中易氧化結(jié)膠(如烯烴)燃料抗爆性比較：1)環(huán)烷烴正烷烴2)烯烴正烷烴3)異烷烴正烷烴4)芳香烴烷烴/烯烴燃料自燃性比較：1)環(huán)烷烴<正烷烴2)烯烴<正烷烴3)芳香烴<烷烴/烯烴4)1-甲基奈－壓不著三、化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分對理化特性的影響1)烴燃料結(jié)構(gòu)對理化特性的影響

鏈與環(huán)—環(huán)化學(xué)穩(wěn)定性好，不易自燃

直鏈與支鏈(或正烷與異烷)—支鏈(異烷)的化學(xué)穩(wěn)定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和異辛烷C8H18的辛烷值分別為0和100)

單鍵和多鍵—多鍵非飽和烴不易斷鏈，不易自燃，但穩(wěn)定性差，貯存中易氧化結(jié)膠(如烯烴)2)烴燃料成分對理化特性的影響

C原子數(shù)(直鏈)：C越多，化學(xué)穩(wěn)定性差，著火溫度低，易自燃；物理穩(wěn)定性好，不易氣化

H/C比

燃料熱值由H/C比決定,由于H比C的熱值高(約3.7:1)，柴油H/C<汽油H/C→柴油Hu(42500kJ/kg)<汽油Hu(44000kJ/kg)；H/C大，則排放特性好：

C—CO、CO2

有害

H—H2O無害CNG、LPG的H含量高(0.25和0.182)，所以其CO、黑煙、微粒、CO2低于汽、柴油→H/C越大，燃料越清潔三、化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分對理化特性的影響四、石油的煉制直接蒸餾法（分離過程）：將原油在專用的煉油塔(分餾塔)中進行加熱蒸餾，不同的分餾溫度，得到不同成分的燃油，最終獲得的燃料約占原油的25％一40％。*/10四、石油的煉制裂解法（轉(zhuǎn)化過程）：將蒸餾后的重油等一些高分子成分通過不同的技術(shù)手段裂解為分子量較輕的成分。熱裂解法：通過加溫加壓進行裂解催化裂解法：使用催化劑(觸媒)進行裂解*/11燃油直餾法熱裂解法催化裂解法汽油穩(wěn)定性好，體積分數(shù)為90%~95%的烷烴與環(huán)烷烴，芳香烴體積分數(shù)不超過5%~9%，不含不飽和鏈烴，其馬達法辛烷值在50~70含有較多不飽和烴，存儲中易產(chǎn)生膠質(zhì)，抗爆性比直餾汽油略好，其馬達法辛烷值在58~68芳香烴體積分數(shù)約為32%~40%，烷烴為50%~60%，環(huán)烷烴為8%~10%。抗爆性好，馬達法辛烷值可達77~84柴油含有體積分數(shù)為20%~35%的芳香烴，具有較高的十六烷值含有大量不飽和烴，十六烷值較低，一般用做中速柴油機燃料性能較好，可作為高品質(zhì)柴油使用，用于高速*/12第三章內(nèi)燃機燃料與燃燒內(nèi)燃機的燃料及其提煉方法

燃料的使用性能燃料的熱化學(xué)燃燒的基本理論一、汽油的使用性能*/131.蒸發(fā)性(1)飽和蒸氣壓：在規(guī)定條件下燃油和燃油蒸氣達到平衡狀態(tài)時，燃油蒸氣的壓力

蒸氣壓高，說明燃油中輕質(zhì)組分多，發(fā)動機冷起動性能好，混合氣形成速度快，有利于燃燒蒸氣壓過高，在儲存和運輸過程中易產(chǎn)生蒸發(fā)損失，著火的危險性大；也容易在燃油供給系統(tǒng)中形成“氣阻Choking”10個碳原子以上烴類的飽和蒸氣壓接近于0→柴油的蒸氣壓接近0(2)餾程：汽油餾出的溫度范圍

初餾點—燃料中含有的最輕餾分的沸點，但不能判斷輕餾分的含量餾出10％的溫度(T10)—反映汽油機的冷起動性餾出50％的溫度(T50)—燃料的平均蒸發(fā)性能，反映汽油機的工作穩(wěn)定性餾出90％的溫度(T90)—燃料中的重質(zhì)餾分含量，反映汽油機燃燒完全性干點（終餾點）—燃料中含有的最重餾分的沸點一、汽油的使用性能2.抗爆性：燃料不發(fā)生爆燃(Knocking)的能力抗爆性對汽油來說非常重要，希望自燃性差，抗爆性好辛烷值是評價汽油抗爆性好壞的指標異辛烷Iso-OctaneC8H18

OctaneNumber100ON＝100正庚烷n-HeptaneC7H16

OctaneNumber0ON＝0CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCCHHHHHHHHH一、汽油的使用性能RON>MON燃料敏感性Sa＝RON－MON抗爆指數(shù)Ai=(RON+MON)/2馬達法和研究法辛烷值的測量：一、汽油的使用性能1.自燃性：可燃混合氣在一定溫度、壓力條件下自行著火燃燒的能力自燃性對柴油尤其重要，自燃性差，則起動性差，工作粗暴十六烷值是評價柴油自燃性好壞的指標十六烷值CetaneC16H34CetaneNumberCN=100CetaneNumberCN=0－甲基萘－MethylnaphthaleneC11H10二、柴油的使用性能HCCHHHH.......HCCHHHHCCCCCCCCCCHHHHHHHCH3燃油十六烷值的測量：二、柴油的使用性能2.蒸發(fā)性——餾程：燃油餾出某百分比的溫度范圍

50％餾出溫度表征平均蒸發(fā)性，低蒸發(fā)性好，說明輕餾分多、蒸發(fā)快，有利于混合氣形成。

90％和95％餾出溫度標志難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量。如重餾分過多，不易蒸發(fā)和形成均勻混合氣，燃燒亦不及時和完全。3.霧化性——粘度：表示燃料分子間內(nèi)聚力的大小粘度越大，霧化后油滴的平均直徑也越大，使燃油和空氣混合不均勻，燃燒不及時或不完全，燃油消耗率增加，碳煙排放增加。噴油泵柱塞、噴油器的噴針都是靠燃油潤滑，所以柴油應(yīng)具有一定的粘度。一般輕柴油的運動粘度在20oC時為（2.5～8）10-6m2/s。二、柴油的使用性能1)混合氣形成方式不同◎汽油—易氣化，缸外低壓噴射蒸發(fā)，與空氣形成預(yù)制均質(zhì)混合氣◎柴油—難氣化，缸內(nèi)高壓噴霧成細小液滴，與空氣形成非均質(zhì)(分層)混合氣2)著火及燃燒方式不同◎汽油—難自燃，易點燃(SI)，用高壓電火花點燃

預(yù)混燃燒，火焰?zhèn)鞑ァ？稍赼

=1的條件下完全燃燒◎柴油—難點燃，易壓燃(CI)

擴散燃燒，即邊噴-邊混-邊燃，為了完全燃燒，必須a>1.03)負荷調(diào)節(jié)方式不同◎汽油機—預(yù)混合，混合氣數(shù)量改變，濃度基本保持不變，量調(diào)節(jié)◎柴油機—分層混合，噴油量改變，空氣量基本不變，質(zhì)調(diào)節(jié)汽油機與柴油機工作模式的差異homogeneousmixturestratifiedmixtureMixtureHomogeneous均質(zhì)混合氣SparkIgnition火花點火MixtureStratified分層混合氣CompressionIgnition壓縮著火SI常規(guī)汽油機HCCIGDICI柴油機內(nèi)燃機混合氣形成和燃燒模式組合GasolineDirectInjection汽油缸內(nèi)直噴HomogeneousChargeCompressionIgnition均質(zhì)充量壓燃*/22第三章內(nèi)燃機燃料與燃燒內(nèi)燃機的燃料及其提煉方法燃料的使用性能燃料的熱化學(xué)燃燒的基本理論一、理論空氣量（化學(xué)計量空燃比）化學(xué)計量空燃比：1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量設(shè)1kg燃料中C、H、O的質(zhì)量分別為wC、wH、wO，則(1)1kg燃料完全燃燒需要O2為：O2在空氣中的質(zhì)量百分比為23%，即需空氣量為（實際中是測量空氣流量）：也稱之為“質(zhì)量化學(xué)計量比”（massstoichiometricratio）(2)1kg燃料完全燃燒需要O2摩爾(mol)為：而O2在空氣中的摩爾百分比為21.0%，即需空氣量為：也稱之為“摩爾化學(xué)計量比”（molestoichiometricratio）1kg燃料完全燃燒需要O2體積(m3)為：一、理論空氣量（化學(xué)計量空燃比）汽油的平均質(zhì)量成分：柴油的平均質(zhì)量成分：汽油：柴油：二、過量空氣系數(shù)α定義：燃燒1kg燃料提供的空氣量L與理論上所需空氣量L0之比，表示混合氣的濃度汽油機：混合氣均勻，α=0.8～1.2，柴油機：混合氣不均勻，α=1.2～1.6，增壓柴油機：α=1.8～2.2空燃比（A/F）和燃空比（F/A）：三、α>1時完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量燃燒前混合氣的數(shù)量(1kg燃料)汽油機：（kmol/kg燃料）

MT為燃料的分子質(zhì)量柴油機：液態(tài)燃料可忽略即為純空氣（kmol/kg燃料）燃燒產(chǎn)物的數(shù)量三、α>1時完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量燃燒后產(chǎn)物的增量汽油機：

柴油機：四、燃料熱值和混合氣熱值1.燃料熱值：1kg燃料完全燃燒所放出的熱量高熱值：包括水蒸汽凝結(jié)后放出的汽化潛熱低熱值：不包括水蒸汽凝結(jié)后放出的汽化潛熱Hu（內(nèi)燃機）2.可燃混合氣熱值：單位質(zhì)量或單位體積可燃混合氣完全燃燒發(fā)出的熱量(kJ/kg或kJ/kmol)α=1時，理論混合氣熱值*/29第三章內(nèi)燃機燃料與燃燒內(nèi)燃機的燃料及其提煉方法燃料的使用性能燃料的熱化學(xué)燃燒的基本理論1.預(yù)混合燃燒：著火前燃料與空氣已經(jīng)按一定的比例預(yù)先混合形成了均勻的可燃混合氣，在著火后，預(yù)混合氣的燃燒自動進行，稱為火焰?zhèn)鞑ミ^程（1）層流火焰?zhèn)鞑ピ陟o止或流速極低的預(yù)混合氣中，著火之后，火焰核心迅速發(fā)展為近似球形火焰二、內(nèi)燃機中的燃燒方式火焰前鋒面火花氣缸未燃氣體已燃氣體火焰前鋒面以近似圓球的形狀向整個混合氣空間擴展推進火焰鋒面之前是未燃的預(yù)混合氣，火焰鋒面之后是已燃的、具有很高溫度的燃燒產(chǎn)物?；鹧驿h面厚度d分為混合氣預(yù)熱區(qū)厚度dp

和反應(yīng)區(qū)厚度dc

兩個部分，預(yù)熱區(qū)厚度dp大，化學(xué)反應(yīng)速度低，反應(yīng)區(qū)厚度dc小，化學(xué)反應(yīng)速度高；火焰鋒面厚度d

很小，溫度和濃度變化極大，引起強烈的傳熱和傳質(zhì)，引起鄰近混合氣化學(xué)反應(yīng)，即火焰?zhèn)鞑?；混合氣濃度對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懽畲?，在略小于理論空燃比時，化學(xué)反應(yīng)速度最快，火焰